在电动汽车辅助系统中,很多辅助装置在燃油汽车中已装备,例如电动助力转向系统(EPS)、防抱死制动系统(ABS)等,汽车维修人员对这些装置的构造与原理早已掌握。本文以北汽新能源EV200为例,着重介绍电动汽车辅助系统中制冷系统特有的辅助装置——电动压缩机。
1、制冷系统组成
空调系统包括制冷、加热、通风、空气净化、电子控制五个子系统,制冷系统主要由电动压缩机、冷凝器、储液干燥罐、膨胀阀、蒸发器、压力开关等组成,如图1所示。
图1 制冷系统组成
1—电动压缩机 2—冷凝器 3—压力开关
4—储液干燥罐 5—膨胀阀 6—蒸发器
制冷系统以压缩机为分界,分为低压、高压两部分,低压为0.2~0.25MPa,高压为1.5~1.6MPa,平衡状态的压力在0.6MPa左右,使用R134a或R1234yf等制冷剂和专用冷冻油。制冷剂循环如图2所示,单位换算:1bar=0.1MPa。
图2 制冷剂循环
1—电动压缩机 2—冷凝器 3—压力开关
4—储液干燥罐 5—膨胀阀 6—蒸发器
2、电动压缩机
(1)对电动压缩机的要求
电动压缩机是电动汽车特有设备,用来代替燃油汽车发动机使用传动带驱动的压缩机。要求电动压缩机效率高、结构紧凑、质量轻、噪声低、成本低、能在各种气候下工作。电动压缩机由电动机、制冷压缩机、电机控制器组成,用螺栓固定在底盘上。
(2)电动机类型
电动机有直流和交流两种类型,直流电动机通过改变直流电压调速,交流电动机通过改变三相交流电的频率调速。北汽新能源EV200采用直流无刷无传感器电动机,如图3所示,高压插座连接高压盒“高压+”和“高压-”端子,低压插座连接12V正极、搭铁线、CAN-H和CAN-L。电机控制器接收CAN 总线发来的指令,利用可控硅改变直流电压进行有级或无级调速。
图3 直流无刷电动机
1—控制器 2—高压插座 3—低压插座
4—制冷剂进口 5—直流无刷电机 6—制冷剂出口
EV200采用的直流无刷无传感器电动机内部结构如图4所示,定子上有6个线圈磁极,转子是永久磁极,转速范围是1000~6500r/min。该电动机未采用冷却液散热,电动机由吸入的低温低压气态制冷剂的蒸发冷却,电机控制器自然冷却。
图4 电动机内部结构
1—电机控制器 2—永久磁极 3—线圈磁极
4—外壳 5—涡旋式压缩机
3、涡旋式压缩机
燃油汽车的压缩机有斜盘式(固定排量)、可变斜盘式(可变排量)。电动汽车常采用涡旋式压缩机,其排量不变,通过改变电动机的直流电压或改变交流三相电频率,来改变输出流量。
(1)优点
1)高效节能、可靠性高。吸气、压缩、排气连续单向进行,没有柱塞压缩时的气体泄漏,轴密封采用摩擦小的柔性机构。
2)结构简单、体积小、质量轻。体积是柱塞压缩机的40%,质量是柱塞压缩机的85%。
3)容积效率高。因为没有吸气阀,气体在多腔室连续压缩,所以容积效率高,特别适用于变频调速电动机。
4)起动转矩小、噪声低、振动小。一对涡旋盘中几个月牙空间可以同时进行压缩,即多腔室连续压缩,数个不同相位的工作循环同时进行,前一个波峰恰与后一个波谷叠合,故驱动转矩变化很小,压缩机运转平稳。由于排气连续进行,排气阀片的机械撞击和气流脉动几乎不存在,噪声比其他类型压缩机低3~5dB。运动部件做半径很小的圆周运动,惯性力小,振动非常小。
(2)结构
涡旋压缩机分解如图5所示,主要由静涡旋盘、动涡旋盘、电机控制器、永磁转子等组成。因为气体被吸入两个涡旋盘之间,被压缩而提高压力,所以称作涡旋式压缩机。
图5 涡旋压缩机分解
1—电动机前端盖 2—电机控制器
3—电动机外壳 4—永磁转子
5—电动机后端盖 6—动涡旋盘
7—静涡旋盘 8—压缩机外壳
(3)工作原理
两个涡旋盘同为渐开线形,相互成180°装配在一起,如图6所示。静涡旋盘固定,动涡旋盘沿着很小的偏心距(偏心回转半径)轨道做逆时针摆动。动涡旋盘只有公转,没有自转,两个涡旋盘接触,形成三个变容积的腔室。
图6 动、静涡旋盘
动涡旋盘逆时针摆动至第1个360°时,如图7所示,第1个腔室在进气(气体以蓝色表示),第2个腔室将上一个360°吸入的气体压缩(气体以黄色表示),第3个腔室将上一个360°压缩的气体排出(气体以红色表示)。动涡旋盘逆时针摆动至第2个360°,第1个腔室的进气转给第2个腔室压缩,第2个腔室的压缩气体转给第3个腔室排出,而第1个腔室重新进气。网上有关于涡旋式压缩机工作原理的视频,读者可搜索观看,进一步理解涡旋式压缩机的工作原理。压缩机旋转360°,三个腔室分别完成进气、压缩、排气,没有负荷的起伏变化,因此运转非常平稳,这种特性对驱动电机非常有利。
图7 动涡旋盘逆时针摆动360°
4、制冷剂
制冷剂是制冷循环系统内的工作介质,常用制冷剂见表1,全球增温潜能值(Global Warming Potential,GWP)是大气中氯氟化碳物质对全球性气温变暖的影响能力的数值,R134a全球增温潜能值大,将逐渐被淘汰。制冷剂不能混用,否则会导致制冷效果下降,甚至损害制冷系统,尤其是压缩机。
表1 常用制冷剂
5、电动压缩机端子定义
(1)技术参数
北汽新能源EV200电动压缩机技术参数见表2。压缩机排量单位是mL/rev,rev的中文是快速转动,涡旋式压缩机只具有排气阀片而不具有进气阀片,慢速转动会使压缩的气体返回进气口,因此,每快速转动360°才能实现27mL的排量。
表2 电动压缩机技术参数
(2)端子定义
北汽新能源EV200电动压缩机插座如图8所示,分为高压插座和低压插座,各端子定义见表3。
图8 电动压缩机插座
表3 电动压缩机插座端子定义